放送通信融合環境における映像再生端末の受信状況を用いた放送データ決定手法

全文

(1)Vol.2012-EVA-37 No.2 2012/3/30. 情報処理学会研究報告

(2) . はじめに. 放送通信融合環境における映像再生端末の受信状況を用いた放送データ決定手法義. 久. 智. 樹Ý. 西尾. 世界的な映像放送のデジタル化に伴い，放送通信融合環境における映像ストリーミング配信に対する注目が高まっている．放送とは地上波デジタル放送や衛星放送といった電波放送を指す．放送を用いることで，映像データを配信するサーバはデータをすべての再生端末に. 章治郎Ý. まとめて配信できる．すべての再生端末と通信してデータを配信する場合に比べて，配信するデータ量を削減できるが，あらかじめ決定された放送スケジュールに従ってデータが. 世界的な映像放送のデジタル化に伴い，放送通信融合環境に対する注目が高まっている．放送通信融合環境における映像配信では，放送されるまで時間がかかるデータを通信から受信することで，データを早く受信できて再生が中断されている時間を短くできる．しかし既存手法では，データをある程度受信した再生端末でも通信からデータを受信していたため，受信しているデータが少なく再生が中断されやすい再生端末が通信からデータを受信する時間が長くなって，平均再生中断時間が長くなっていた．そこで本研究では，再生端末が映像の初めの方のデータを再生している間だけ通信からデータを受信する放送データ決定手法を提案する．受信しているデータが少ない再生端末が初めの方のデータを早く受信でき，後ろの方のデータは放送から受信できるため，効率的に再生中断時間を短縮できる．. 放送されることが多く，再生端末は再生に必要なデータが放送されるまで待たなければならない．また，通信とはインターネットや専用の情報通信ネットワークを指す．通信を用いることで，再生端末は必要なデータをサーバに要求して受信できるが，再生端末の数が増えるほど配信するデータ量が多くなる．これらの放送と通信を融合させることで，互いの利点を活かした高品質なサービスを提供できる．放送通信融合環境における映像ストリーミング配信では，一般に，映像データはブロックと呼ぶ幾つかの部分に分割される．ブロックは再生の単位であり，再生端末は各ブロックを受信するとそのブロックに含まれている映像データを再生できる．再生端末は，放送で順.

(3)

(4) Ý. . . 番に繰り返し配信されるブロックを受信すると同時に，通信でブロックを要求して受信できる．ブロックを受信しながら再生できるが，ブロックの再生開始時刻までにそのブロックを受信完了していなければ再生が中断される．放送されるまで時間がかかるブロックを通信で要求することで，ブロックを早く受信できて再生が中断されている時間を短くできる．.

(5) Ý. 再生中断時間は，再生するブロックを受信完了していれば発生しないため，受信している. . ブロックが多い再生端末で発生しにくい．映像の後ろの方を再生している再生端末であれば，ブロックを受信している期間も長く，再生中断時間が長くなりにくい．しかし，既存手.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13) .

(14)

(15)

(16)

(17)

(18) . 法では，ブロックをある程度受信した再生端末でも通信からデータを受信していたため，受.

(19) .

(20)

(21)

(22)

(23)

(24) .

(25)

(26)

(27) . 信しているブロックが少なく再生が中断されやすい再生端末が通信からブロックを受信する.

(28)

(29) ! !

(30)

(31) !

(32) . 時間が長くなって，平均再生中断時間が長くなっていた．.

(33)

(34)

(35) ! "

(36)

(37) !

(38)

(39)

(40)

(41)

(42) !

(43) . そこで本研究では，再生端末が映像の初めの方のブロックを再生している間だけ通信から.

(44)

(45)

(46) !

(47)

(48)

(49) ! .

(50) .

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56) . ブロックを受信する放送データ決定手法を提案する．受信しているブロックが少ない再生端.

(57)

(58)

(59)

(60)

(61) !

(62)

(63) !

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

(71)

(72)

(73) . Ý 大阪大学. !

(74) ! # .

(75) . . . $%$

(76)

(77)

(78).

(79) Vol.2012-EVA-37 No.2 2012/3/30. 情報処理学会研究報告

(80) . 9.6 min.. 30 min.. ・・・. Block Block 1 2. 0.5 sec. for each block. Start. 図. . B l ・・・ oc k 1. Block 3600 448Kbps. End. ブロックの例. B l o c k 2. 3 6 1 0 0. ・・・. ・・・. 3 6 1 ・・・ 1.4Mbps 0 0. Time. 図. . カルーセル放送.

(81) . 末が初めの方のブロックを早く受信でき，後ろの方のブロックは放送から受信できるため，効率的に再生中断時間を短縮できる．再生端末が通信からブロックを受信する期間が短すぎ. を要求してもすぐに配信せず，他の再生端末が同じブロックを要求するまである程度待って. ると，通信を有効に利用できず，再生中断時間が長くなる．また，この期間が長すぎても，. から配信することで複数の再生端末の要求を同時に満たしている．#$$ !" では，通信. 他の再生端末の通信を妨げることになって再生中断時間が長くなる．このため，再生中断時. 側で，再生端末間でもブロックを送受信する（）技術を用いている．しか. 間を効率的に短縮できる長さは，放送帯域や通信帯域といった環境に依存する．提案手法で. し，ブロックをある程度受信した再生端末でも通信からデータを受信していたため，受信し. は，再生端末が通信からブロックを受信する期間をパラメタで与え，シミュレーションによ. ているブロックが少なく再生が中断されやすい再生端末が通信からブロックを受信する時間. り平均再生中断時間を評価する．. が長くなって，平均再生中断時間が長くなっていた．また，カルーセル放送を用いているた. 以降，章で関連研究を説明し，章で放送通信融合環境について説明する．章で提案. め，すべてのブロックを順番に放送しており，再生端末が要求していないブロックを放送し. 手法の説明，章で評価を行い，最後に章で本論文をまとめる．. ていることがあった．カルーセル放送ではなく，動的に放送するブロックを決定する "$*（"+(, $). 関連研究. &) *(）法. . が提案されている．"$* 法では，サーバはブロックを放. 送する度に次に放送するブロックを決定する．ブロックの放送が終了すると，通信で要求さ. 放送通信融合環境では，再生中断時間を効率よく短縮できるように，映像を配信するサー. れているブロックを参照し，通信からの配信に時間がかかるデータを放送している．しかし，. バは放送するブロックを決定し，再生端末は通信で要求するブロックを決定する．例えば，では，で符号化されたドラマを想定した分の

(82) の映像データをブ. 再生端末の数が少ない場合，同じブロックを要求する再生端末が少なくなって，複数の要. ロックに分割している．ブロックとして（）を想定し，一般的な. 求をまとめて満たせる確率が少なくなり，再生中断時間を効率的に短縮できなかった．そこ. の長さである秒毎に . 個のブロックに分割している．放送通信融合環境にお. で，"$* 法を改良した "$* および "$*-（"$* .& /( )0. 図. . "$* .& - /( )）法. いて，これらのブロックを再生端末に配信する幾つかの手法が提案されている．. . が提案されている．これらの手法では，再生端. カルーセル放送と呼ばれる手法では，サーバはブロックを最初から最後まで順番に繰り. 末の数が少ない状況における "$* 法の性能を改善するため，再生端末の数が少なくなる. 返して放送する．図では，図に示した . 個のブロックを順番に繰り返して放送し. と，カルーセル放送のようにブロックを順番に放送している．しかし，上記と同じく，ブ. ている．放送帯域はであり，分ののデータをで放送するた. ロックをある程度受信した再生端末でも通信からデータを受信していた．. め，分毎に繰り返して放送することになる．再生端末は，受信していない初めの方のブ. 本研究で提案する手法では，再生端末が映像の初めの方のブロックを再生している間だけ通信からブロックを受信する点が異なる．受信しているブロックが少ない再生端末が初めの. ロックを通信で要求する．放送通信融合環境においてカルーセル放送を用いた手法として， !" や. 方のブロックを早く受信でき，後ろの方のブロックは放送から受信できるため，効率的に再. #$$ !"（#%& $'(%$)）

(83) が提案されている．これらは通信から受信す. 生中断時間を短縮できる．. るブロックを決定する手法が異なる． !" では，再生端末が通信でブロック. $. . $%$

(84)

(85)

(86).


(88) . ネットに繋がり，またテレビチューナを備えるものがある．パソコンにもテレビチューナを. Broadcasting Equipment. 備えたものがある．. データ. Broadcasting System. データは，映像や音声といった時間的な繋がりに意味のある連続メディアデータを想定. Client 2 Client 3 Client 1. する．データは，ブロックと呼ばれる比較的小規模なデータに分割でき，再生端末は，ブ. ・・・・・. ロックごとに再生を開始できる．例えば，よく用いられているで符号化された映. ・・・. Communication System. 像データは幾つかので構成される．には秒のデータが含まれ，再生端末は. Server. 各を受信完了すると再生できる．この場合，がブロックに相当する． Video Data. 図. . 一つの放送チャネルで一つの映像データを配信するため，本論文では一つの映像データを配信する場合を想定している．しかし，他の放送チャネルで他の映像データを配信できるた. 放送通信融合環境.

(89)

(90). め，提案手法は一つの映像データしか配信できないわけではない．. ビットレートより大きい放送帯域を用いることの妥当性本研究では，映像のビットレートと等しい，もしくは大きい放送帯域を用いてブロックを. 放送通信融合環境. 放送すると想定している．これまでの放送では，ビットレートと放送帯域がほぼ等しいこと. 本章では，放送通信融合環境におけるストリーミング配信について説明する．既存文献 . がほとんどだったが，放送のデジタル化や，"（ ) "1）やハードディスクといった大容量の記憶装置をもつ再生端末の普及に伴い，ビットレートより大きい放送帯域を. と同様の説明ではあるが，本論文の理解を助けるためここに再掲する．. . システム構成. 用いてブロックを放送し，これから再生するブロックを保存しておく視聴形態は今後一般的. 図にシステム構成を示す．上部が放送システムを示しており，下部が通信システムを. になると考えられる．また，我が国では一放送局に個の放送セグメントを割り当てるこ. 示している．ストリーミング配信のサービス提供者が映像データを所有しており，サーバに. とが多く，すべてのセグメントを用いると程度の放送帯域を使用できる．現状の. 保存されている．サーバはインターネットのような通信ネットワークに接続されており，ま. 映像品質で配信するとビットレートより大きい放送帯域で放送でき，現実的といえる．. たインターネットや専用線を介して放送設備を利用できる．. 提案手法. 再生端末は，映像を視聴するユーザが所有しており，インターネットを介してサーバと通信できる．また，放送されたデータを受信するためのチューナを備えており，放送からも. 本研究では，放送通信融合環境における映像配信において平均再生中断時間を短縮する手法を提案する．提案手法を * *2-（* .& *,,(( 2, -,. データを受信できる．十分な記憶領域をもっており，放送や通信を介して受信したデータを，. " 1+）と呼び，本章で説明する．* *2- 法では，カルーセル放送を用い，再生. 映像を再生している間保存できる．放送設備はサーバからの指示に基づき，電波放送を用いてデータを放送できる．放送され. 端末がブロックの受信を開始してから初めの方のブロックを再生している期間だけ通信から. たデータは，すべての再生端末に同時に送信される．. ブロックを受信する．この期間を. このような放送通信融合環境における映像配信の例として，インターネットに繋がるテレ. （*,,(( 2, -,）と呼ぶ．期間で制. 限を与えるのは，初めに受信するブロックの数で制限を与えると，ブロックの受信に時間がかかった場合に他の再生端末の受信に影響を及ぼすためである．例えば，図において時. ビへの映像配信が挙げられる．テレビは基本的に電波放送を受信できる．近年のテレビにはインターネットに繋がるものも多く，現実的な想定といえる．他の例として，スマートフォ. 刻にブロックの受信を開始した再生端末は，図に示す期間の間だけ通信からブロックを受. ンやパソコンへのストリーミング配信があげられる．ほとんどのスマートフォンはインター. 信する．. &. の決め方については，節で説明する．放送通信融合環境において，再生 . $%$

(91)

(92)

(93).


(95) . Average Interruption Time [sec.]. 700. B l ・・・ oc k 1. B l o c k 2. ・・・. 3 6 1 0 0. ・・・. Block Block 1 2. CLT ブロック受信開始 (t). Block 3600. Time. 300. くなる．また，長すぎても，他の再生端末の通信を妨げることになって再生中断時間が長く. 200. なる．このため，再生中断時間を効率的に短縮できる. 100. た環境に依存する．提案手法では，再生端末が通信からブロックを受信する期間をパラメタ. 0. 図 !" 法の例 #

(96)

(97)

(98) !"

(99) . 端末がブロックの受信を開始してから. 9. 11. 13. 15. 17. Communication Limit Time [min.]. は，放送帯域や通信帯域といっ. で与え，シミュレーションにより平均再生中断時間を評価する．. 19. 評. 図 !" 拡張の性能評価 $ % .

(100)

(101) !".

(102) . 価. 本章では，提案手法の評価を行う．. . だけ経過する間のみ通信からブロックを受信す. 評価環境. 再生端末において映像の再生が中断されている時間である再生中断時間を計算機シミュ. る拡張を *2- 拡張と呼ぶ．. . が短すぎると，通信を有効に利用できず，再生中断時間が長. 章で述べたように，. 400. ・・・. の決め方. . DBSC-TLM-CLT. 500. 3 6 1 ・・・ 0 0. ると，次に再び未受信の最も初めの方のプロックを通信で要求する．. DBSC-SM-CLT. 600. レーションにより計測する．この再生中断時間には，映像の再生途中の中断時間だけでな. カルーセル放送を用いる理由. く，初めに再生要求を出してから再生が開始されるまでの中断時間も含まれる．これまでの研究において，再生中断時間はある程度の幅をもって収束することを確認しているた. 放送通信融合環境においてカルーセル放送を用いない手法として，"$*，"$*. - 法が提案されている．これらに *2- 拡張を行って，再生端末に，初めの方のブロックを. め，収束時の平均再生中断時間を評価指標に用いる．. 再生している期間だけ通信からブロックを受信させることができる．後に章で詳しく評価す. 評価パラメータを表. に示す．放送は地上波デジタル放送のセグメントを想定し，放. るが，*2- 拡張を行った際のシミュレーション結果の一例を図に示す．"$**2-，. 送帯域をで与える．通信はインターネットを想定してそのボトルネックリンクを. "$*-*2- それぞれが *2- 拡張を行った既存手法を示す．横軸が. とする．映像データについて，インターネットでよく用いられているで符. ，縦軸が平. 号化されたドラマを考え，ビットレートがの分の映像データとする．ブロック. 均再生中断時間である．放送帯域や通信帯域といった幾つかの環境パラメタを変化させてシミュレーションを行っ. はのに基づき，秒のデータとする．再生要求の平均要求到着間隔は，他. たが *2- 拡張を行った既存手法が，行わない場合に比べて平均再生中断時間を短縮するこ. の再生要求の影響を受けないため，ポアソン分布で与える．再生中断時間が十分に収束され. とはなかった．これらの手法では，多くの端末が通信から要求しているブロックを放送する. ることが確認できた時間分までシミュレーションを行った．. というアイデアを用いているが，. の制限により通信でブロックを要求しない再生端末. 比較手法. が発生するため，このアイデアが有効に働かず，平均再生中断時間を効率的に短縮できてい. 提案手法の元となっているカルーセル法と比較する．カルーセル法では，再生端末が通信. ない．このため，本研究では，カルーセル放送に *2- 拡張を行って平均再生中断時間を短. からブロックを受信する期間に制限を設けない．提案手法における. 縮できる手法を提案する．. 相当する．. 通信で要求するブロックの決定方法. が無限大の場合に. 平均要求到着間隔. ブロックは初めから最後まで順番に再生されるため，初めの方のブロックを早く受信する. 映像を再生する再生端末の数は平均要求到着間隔に依存するため，平均要求到着間隔に. ことで再生中断時間を効率よく短縮できる．そこで * *2- 法では，各再生端末は. よって平均再生中断時間が変化する．そこで，平均要求到着間隔を変えてシミュレーション. 未受信の最も初めの方のプロックを通信で要求する．要求していたブロックの受信を完了す. を行った．結果を図に示す．縦軸は平均再生中断時間，横軸は平均要求到着間隔を示す．. '. . $%$

(103)

(104)

(105).


(107) . 表. 220. 評価パラメータ. &

(108)

(109) . Average Interruption Time [sec.]. ". 218 216. 項目. 値. 放送帯域通信帯域再生レート映像の再生委時間ブロックサイズシミュレーション時間. #' $ ' ##() * 分 *$ 秒 + 時間. 214 212 210 208 206 204. Average Interruption Time [sec.]. 202 200. Carousel-CLT Carousel DBSC-TSM. 200. 0. 2. 4. 6. 8. 10. 図. . 平均再生中断時間と. . -

(110)

(111)

(112) . 150. 12. Communication Limit Time [min.]. 14. . の数が少なくなって，提案手法の効果が少なくなり， * と同じ平均再生中断時間に. 100. なっている．例えば，平均要求到着間隔が秒の場合，* *2- 法の平均再生中断時間は . 50. 秒，* 法では秒となり，提案手法は 3短縮できている． 0. 0. 5. 10. 15. 20. 25. Average Request Interval Time [sec.] 図. . . 30. の長さによって再生端末が通信からブロックを受信できる期間が変わって平均再生を変化させて平均再生中断時間を算出した．結果を図 . 平均再生中断時間と平均要求到着間隔. 中断時間が変化する．そこで，. +

(113)

(114)

(115) ,

(116)

(117) . に示す．平均要求到着間隔は秒とした．. * *2- が提案手法，* がカルーセル法である．* *2- 法では，平均再生中断時間が最短になる. の影響. このグラフより，. を与えた．. が極端に短い場合には，平均再生中断時間が長くなっていることが短すぎるとすぐに通信からブロックを. が分かる．これは，節で述べたように，. このグラフから，平均要求到着間隔が長くなるほど，平均再生中断時間が短くなることが. 受信できなくなるためである．また，極端に長すぎると平均再生中断時間が変わらなくなっ. 分かる．これは，平均要求到着間隔が長ければ，映像を再生中の再生端末の数が少なく，通. ていることが分かる．これは，再生端末が再生に必要なブロックを放送から受信でき，通信. 信からブロックを受信する再生端末の数も少なくなって，ブロックを早く受信できるためで. からブロックを受信する時間が. ある．ブロックを早く受信できるため，再生が中断されている時間が短くなる．. を越えなくなるためである．が長くなると，多くのブロックを受信している. 平均要求到着間隔が短い場合には，. また，平均要求到着間隔が短い場合には * *2- の平均再生中断時間が *. 再生端末も通信からブロックを受信するようになってしまい，平均再生中断時間が長くなっ. を設定することで，提案. より短いことが分かる．これは，平均要求到着間隔が短いほど，映像を再生中の再生端末の. ている．このため，平均要求到着間隔が短い場合には適切な. 数が多く，多くのブロックを受信している再生端末が. 手法は * 法よりも平均再生中断時間を短縮できることが分かる．. の制限により通信からブロック. を受信できなくなって，受信しているブロックが少ない再生端末が初めの方のブロックを早く受信できるためである．平均要求到着間隔が長くなると，. の制限を受ける再生端末 (. . $%$

(118)

(119)

(120).


(122) . + *(( ) "0< ? -(( ( $)(%0 ! 0 ? 0 = >. 56 56 ;)0 $$&%10 () "II8 94 ;+ ) 4& * '1 (),() ) ,(%0< 4* *, #.

(123) 0 ! 0 ? 0 = >. 6 6 7I$28 9J!"8 4( J(K) 4& !)(",() 10< ? *,,(( 20 ! 0 # 0 55 5 >6 6 7 I $ 20 () * ; 28 9"%(0 ,( 4( +0 () ?, ,(( !)(",() +,0< ? -(( ( * () +, !) -&( %+0 ! 0 ? 0 =5 >. 6 6 -- 0 #0 () I#,8 9#%& $'(%$) !)(",() 4&0< %( (%8 ?,% *,,((0 ! 0 ? 50 = >. 6 6 義久智樹0 西尾章治郎：9放送通信融合環境における映像再生端末数を考慮した放送スケジュール作成手法0< 情報処理学会シンポジウムシリーズマルチメディア，分散，協調とモバイルシンポジウム >"?* 6 論文集0 ! 0 > 6 6 義久智樹0 西尾章治郎：9放送通信融合環境における映像データ受信待ち時間を考慮したストリーミング配信手法0< 情報処理学会研究報告，! $2 0 # ， % > 6. まとめ既存手法では，データをある程度受信した再生端末でも通信からデータを受信していたため，受信しているデータが少なく再生が中断されやすい再生端末が通信からデータを受信する時間が長くなって，平均再生中断時間が長くなっていた．そこで本研究では，再生端末が映像の初めの方のデータを再生している間だけ通信からデータを受信する * *2法を提案した．受信しているデータが少ない再生端末が初めの方のデータを早く受信でき，後ろの方のデータは放送から受信できるため，効率的に再生中断時間を短縮できる．評価の結果，"$* 法よりも再生中断時間を短縮できることを確認した．今後，サーバが複数の放送チャネルを使って配信する場合や，複数のサーバが通信からブロックを配信できる場合に再生中断時間を短縮する手法を提案する. 謝. 辞. 本研究の一部は，科学研究費補助金（若手研究 4）「次世代オンデマンド型視聴形態のためのコンテンツ配信方式」（課題番号： . 5）および（挑戦的萌芽研究）「再生途切れのない没入型コンテンツの放送型配信に関する研究」（課題番号： . ）による成果である．ここに記して謝意を表す．. 参考. 文. 献. 6 7$.(8 9:+4) ) $)(% !) ; %( * (0< ,) - () 4 (0 (%0 ! 0 # 0 = > 6 6 *2

(124) 0 )0 () ?),8 9*4. @ " $)(%0< ? -(( ( $)(%0 ! 0 ? 0 =5 > 6 6 # %& () A AB8 9A?8 A1)1( & ) ,(%0< ( ? ?#C*. 5 >. 56 6 DE&(%0 720 () $28 9"#F* ,(%8 4 ")1( 1 + # .

(125) 21 ) ,(%0< ( ? ?#C*. 0 ! 0 = >. 6 6 A 4+*&)0 # *1 0 C 7 (G G*(0 () ; $& 8 94 1+ () 1 ( #!" +, #.

(126) 0< ( ? ?(H @

(127) () *,,(( >?@**. 560 >. 56 6 -I&&0 -

(128) ,0 #&8 94 $)(% &, *()(% J(. ). . $%$

(129)

(130)

(131).

(132)